挑戰 ASML!奈米壓印微影技術 NIL 的機會與展望!

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2023 年 10 月 13 日,日本半導體設備大廠 Canon 宣布開賣採用奈米壓印技術(Nano-imprint Lithography,NIL)的微影設備,不只可以用來生產先進的 5nm 邏輯晶片,更可以期待進一步用來生產 2nm 產品!

眾多新聞標題主打的都是「挑戰 ASML」甚至是「取代 ASML」等,雖然 Canon 是前任光刻機霸主的公司,但這個技術真的能夠挑戰 ASML EUV 嗎?其優缺點又是什麼?潛在的機會又在哪邊呢?台灣半導體廠能否受惠?

本篇文章出自財經捕手 PressPlay 專案報告:科技前沿趨勢#1:奈米壓印微影技術 NIL 的機會與展望!


一、動機:為什麼 Canon 要研發奈米壓印微影技術呢?

今天首先來探討 Canon 的動機:為什麼要研發奈米壓印微影技術,而不是傳統的光學微影呢?

所謂的光學微影如同圖一所示,通常會有 6 大步驟:

1. 薄膜沈積:先在矽晶圓上長一層 SiO2 薄膜絕緣層。

2. 光阻塗布:在矽晶圓表面塗滿光阻感光劑。

3. 微影曝光:透過光罩照射紫外光(DUV&EUV),讓光罩上的圖形能印在下方的光阻劑上。

4. 顯影:光阻劑將和紫外光產生「化學變化」,溶解於顯影液中就能去除產生化學變化的光阻,讓圖形顯示出來。

5. 蝕刻:光阻的圖形成形後,下方的薄膜絕緣層也需要用化學溶液將其去除。

6. 去除光阻:最終去除光阻,就完成了大致上的流程,可以進行下一道微影製程或其他步驟。

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與其說 Canon 不想研究光學微影,不如說是被迫無法研究!原因必須追溯到 1980 年代。

當時的日本可是超越美國的半導體大國,全球前 10 大半導體公司日本就占了 6 家,更是霸榜了前 3 名,當時 Canon 和 Nikon 的光刻機占了將近一半的市場份額,美國企業可說是慘敗。

結果美國為了奪回技術的寶座(當然不只這個原因),逼迫日本簽下廣場協議使日圓大幅升值,並且成立半導體製造技術聯盟 SEMATECH,美國政府和 14 家美國半導體企業聯合,透過財政補貼讓美國半導體企業重新奪回技術優勢。

P.S. 美國也是依靠政府補貼的力量重振半導體產業,明顯違反歐美最常說的「自由競爭」......

到了 1997 年,由於晶片越來越微縮,光刻機的重要性就越來越突出,這時英特爾領軍成立 EUV LLC 組織,ASML 成功加入,包括美國三大國家實驗室以及摩托羅拉和 AMD 等企業,數百位科學家共同研發 EUV 光刻技術。

而 Canon 和 Nikon 當時被美國以「國家安全」爲由拒絕其加入,最終結果就是私人企業的力量拼不過國家力量,光學微影技術終究被 ASML 超越。

也是由於被美國傾國家之力壓垮,所以只好換個思路,放棄已經拼不過的光學微影,轉而研究奈米壓印微影技術 NIL。



二、奈米壓印微影技術 NIL 細節及優勢!

那麼究竟什麼是奈米壓印微影技術 NIL 呢?


  • 1. 奈米壓印微影技術 NIL 的本質:蓋印章!

透過上述的光學微影流程,我們可以知道晶片製造的基本概念:把光罩的電路圖轉移到晶圓上。

而奈米壓印微影不是利用「光」,而是利用「印章」的概念,如同圖二的封蠟印章一樣,先在光罩刻上電路圖(印章),然後在特殊的光阻劑材料(封蠟)上用「蓋印章」的方式實現電路圖的轉移。

這種蓋印章的方式屬於「物理製程」,不像是傳統光學微影需要使用具有能量的紫外光和光阻劑形成化學反應,這會產生一個重要的影響:微影的解析度!

我們在之前的報告提到「光學鄰近效應」,由於光會產生繞射和散射等效應,因此會使微影結果和光罩的電路圖不同,這就會使最重要的「良率」下降。

但由於 NIL 是直接用物理性的方式製作,光罩上微小和精細的電路圖可以完整的轉移到光阻上,因此能夠產生更清晰的電路圖!

蓋印章聽起來好像沒有很難,但真的是這樣嗎?一個微影系統的能力通常以圖形化(patterning)、疊加(overlay)以及量產能力(throughput)來評估。我們分別來解析。

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資料來源:科技大觀園

資料來源:科技大觀園

  • 2. 「蓋印章」有這麼簡單嗎?圖形化 patterning 的技術要求!

從圖四可以看到,上方是光學微影製程,下方是奈米壓印微影製程,可以看到一個很明顯的不同之處:光阻劑的塗布。

光學微影直接在晶圓上塗滿光阻劑即可,但是 NIL 不一樣,需要精準控制光阻劑在晶圓上的「位置」和「數量」,配合光罩上凸起和凹進去的部分,需要有較少和較多的光阻。

如果光阻太少,那麼就會有圖案顯現不清楚的問題;而如果光阻太多,則會有向外溢出的問題,因此破壞結構。

這些控制都必須精細到「奈米」等級!

為了應對奈米等級的控制,Canon 運用他們累積已久的經驗:噴墨印表機!利用演算法精準控制光阻噴在晶圓上的位置和數量,多個噴嘴的狀態和行為都被單獨管理、控制和調整!(圖五)

除了以上這些 NIL 的技術細節之外,還有一個前提:特殊的光阻劑材料!

NIL 的光阻會直接和光罩接觸,在壓印時要能順利向外流動去填補光罩的凹槽,照射紫外線固化,最後壓印完成時還要向上取出,這些動作都仰賴光阻劑的強度、固化速度、黏性、流速、蝕刻耐久性等都必須適中!

剛好日本在材料的研究上是非常強的,眾多半導體材料都來自日本,最終也順利研發出適合 NIL 的特殊光阻劑。

結合上述種種技術,藉此才能實現完整的圖形化 patterning。

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  • 3.「蓋印章」有這麼簡單嗎?疊加對準 overlay!

我們都知道在半導體製程中,需要好幾十層的光罩反覆製作,來雕刻出最佳的立體結構,這時上層光罩和下層圖案的「奈米級校準」,就成為最關鍵的良率限制因素之一。

而佳能開發出一套校準系統,可以即時測量光罩和晶圓之間的位置偏差(圖六左),並且透過使用雷射照射加熱晶圓使其變形來實現對準(圖六右)。

其實熱變形在傳統意義上是一種會降低對準精度的干擾,但佳能卻反而以此創新了一套奈米級的對準方法。

其關鍵在於數位微鏡裝置 DMD,其結構是數百萬個微小的反射鏡片組成,每個反射鏡都可以控制雷射光的反射的位置,最後就可以像圖七一樣,透過反射雷射光的強弱來控制溫度,藉此使晶圓熱變形來控制對準的精度。

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  • 4.「蓋印章」有這麼簡單嗎?量產能力 throughput!

目前針對量產能力的討論比較少,理論上 NIL 具有良好的量產能力,因為 NIL 就像是蓋印章,所以只要有光罩模具這個印章,以及良好的封蠟(光阻劑),配合精確的對準技術,就可以像是蓋印章一樣實現量產能力!

當然中間花費的時間包括更換光罩模具、噴光阻、等待光阻固化、量測校準等等,前兩項技術的精確度會大大影響量產能力,不過既然 Canon 已經開始販售,量產能力應該是沒有問題的。

最後,下面這部影片是 Canon 官網對於 NIL 的完整解釋,可以很直觀的看到上述種種技術究竟是如何達成的唷!




關於奈米壓印微影 NIL 的機會與展望,歡迎訂閱財經捕手 PressPlay 專案來看深入分析唷!

https://www.pressplay.cc/project/EFB905DAF7B44F479552E5F5D955A137/articles/A3C99D94BA06EA814716B112B5519C98


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